analisis struktur mikro dan sifat mekanik lapisan …eprints.ums.ac.id/59343/1/naskah...

ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK LAPISAN

NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN METODE SPUTTERING

PADA BAJA ST 40

Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata II pada

Program Studi Magister Teknik Mesin

Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta

Oleh :

HARI SETIADI

NIM U100 140 018

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2018

i

iii

1

ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK LAPISAN

NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN METODE SPUTTERING

PADA BAJA ST 40

Abstrak

Proses deposisi lapisan tipis NiCr dan Al pada substrat ST 40 di lakukan

dengan teknik sputtering. Dalam teknik sputtering, substrat ST 40 diletakkan

pada anoda dan target NiCr dan Al diletakkan pada katoda, gas nitrogen

sebagai gas reaktif dan gas argon sebagai gas sputter. Proses deposisi ST 40

dilakukan dengan 2 kali pelapisan. Lapisan pertama dengan NiCr dengan

variasi waktu 60, 120, 180, dan 240 menit, kemudian lapisan ke dua dengan

Al dengan waktu 30 menit. Kemudian dipanasi pada suhu 7500C selama 30

menit. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh deposisi

lapisan tipis NiCr dan Al terhadap substrat ST 40. Hasil eksperimen yaitu

kekerasan, struktur mikro (SEM) dan komposisi unsur (EDX). Karakterisasi

nilai kekerasan untuk ST 40 sebesar 171,96 HVN, sedangkan lapisan tipis

NiCr selama 60 menit sebesar 191.256 VHN, dan sebesar 279.912 VHN

(tanpa pemanasan N-Cr 60 menit, Al 30 menit), 253.056 VHN (tanpa

pemanasan NiCr 120 menit, Al 30 menit), 231.264 VHN (tanpa pemanasan

NiCr 180 menit, Al 30 menit), 213.888 VHN (tanpa pemanasan NiCr 240

menit, Al 30 menit), 262.968 VHN (dengan pemanasan NiCr 60 menit, Al 30

menit), 278.304 VHN (dengan pemanasan NiCr 120 menit, Al 30 menit),

231.408 VHN (dengan pemanasan NiCr 180 menit, Al 30 menit), 219.288

VHN (dengan pemanasan NiCr 240 menit, Al 30 menit),dan komposisi unsur

pada lapisan dengan EDX-Pure diperoleh kandungan Al = 82,17 %; Cr =

15,36 % dan Ni = 2,46 %. sedangkan dengan menggunakan EDX-oxide

diperoleh Al = 46,41 %; Cr = 7,39 % dan Ni = 1,19 %.

Kata-kata Kunci : sputtering, nikel-kromiun, aluminium, ST 40

Abstract

The deposition process of NiCr and Al thin film on ST 40 substrate is done by

sputtering technique. In the sputtering technique, the ST 40 substrate is placed

on the anode and the NiCr and Al targets are placed at the cathode, nitrogen

gas as reactive gas and argon gas as sputter gas. The ST 40 deposition

process is carried out with 2 coatings. The first layer with NiCr with

variations of time 60, 120, 180, and 240 minutes, then the second layer with

Al with 30 minutes time. Then heated at 7500C for 30 minutes. The purpose of

this research is to know the effect of NiCr and Al thin layer deposition on

ST40 substance. The experimental result is hardness, micro structure (SEM)

and element composition (EDX). The characterization of the hardness value

for ST 40 was 171.96 HVN, while the NiCr thin film for 60 min was 191.256

VHN, and 279,912 VHN (unheated NiCr 60 min, Al 30 min), 253.056 VHN

(unheated Ni- Cr 120 min, Al 30 min), 231,264 VHN (unheated NiCr 180 min,

Al 30 min), 213,888 VHN (unheated NiCr 240 min, Al 30 min), 262,968 VHN

(with NiCr 60 heating minute, Al 30 min), 278,304 VHN (with heating NiCr

120 min, Al 30 min), 231,408 VHN (with heating NiCr 180 min, Al 30 min),

2

219,288 VHN (with NiCr 240 min heating, Al 30 minutes), and elemental

composition on the layer with EDX-Pure obtained Al content = 82.17%; Cr =

15.36% and Ni = 2.46%. whereas by using EDX-oxide obtained Al = 46,41%;

Cr = 7.39% and Ni = 1.19%.

Keywords : sputtering, nikel-cromiun, aluminium, ST 40

1. PENDAHULUAN

Pada tahun terakhir ini banyak dilakukan upaya untuk meningkatkan karakteristik

sifat-sifat mekanik suatu material yang lebih baik yaitu material yang mempunyai sifat

lebih keras. Di dalam dunia industri kebanyakan komponen mesin dibuat dari baja karbon

dan paduan, sehingga masih mempunyai beberapa kelemahan. Untuk memenuhi

kebutuhan komponen tersebut agar didapatkan komponen yang mempunyai sifat-sifat

mekanik dengan kualitas yang lebih baik, namun kualitasnya kurang memenuhi

kebutuhan sehingga perlu perlakuan permukaan untuk meningkatkan kekerasan.

Dengan kemajuan teknologi saat ini telah dikembangkan upaya untuk memperbaiki

sifat suatu material yaitu dengan proses teknik deposisi lapisan tipis pada permukaan

material dengan menempelkan atau mencakokkan atom asing ke permukaan suatu

material. Satu diantara teknik pelapisan untuk mengubah dan memperbaiki sifat

permukaan bahan mekanik ini menjadi sifat permukaan bahan yang lebih keras, sering

disebut dengan teknik plasma sputtering.

Teknik sputtering ini merupakan pengembangan dari teknik coating yang sudah

sering digunakan yaitu untuk mendepositkan atom-atom bahan pelapis pada permukaan

suatu material. Keunggulan teknik plasma sputtering bila dibandingkan dengan teknik

coating adalah bahan yang akan dideposisikan tidak harus dipanaskan sampai meleleh.

Hal ini sangat menguntungkan untuk mendepositkan bahan-bahan yang mempunyai titik

leleh tinggi dan lebih kuat melekat, karena atom-atom dapat masuk lebih dalam pada

permukaan material sehingga umur pemakaiannya semakin lama.

Pada sistem sputtering, substrat baja karbon ST40 atau komponen mesin dipasang

pada anoda dan target NiCr dan Al dipasang pada katoda. Proses sputtering ini target

NiCr dan Al telah didepositkan pada permukaan substrat baja karbon ST40 ditambah

dengan gas argon sebagai gas sputter Ketika ion-ion argon energi tinggi yang terbentuk

dalam plasma bergerak ke arah target dan akan membombardir permukaan target,

3

sehingga atom-atom bahan target akan terpercik keluar. Kemudian atom-atom hasil

percikan tersebut akan memancar ke segala arah dan selanjutnya dideposisikan pada

permukaan substrat. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh deposisi

dari target NiCr dan Al terhadap substrat baja karbon ST40 terhadap sifat kekerasannya.

Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas maka, perumusan masalah dalam penelitian ini

adalah bagaimana mendeposisikan lapisan tipis NiCr dan Al pada substrat baja karbon ST

40 dengan teknik sputtering dan mengetahui sifat kekerasan permukaan substrat yang

telah dilapisi dengan nikel-krom dan alumunium sebelum dan sesudah dilakukan

pemanasan.

Tujuan penelitian

Adapun tujuan dalam penelitian ini adalah:

1. Untuk mendapatkan lapisan NiCr dan Al pada permukaan substrat yang terbuat dari

baja karbon ST 40 dengan menggunakan teknik sputtering.

2. Untuk mengetahui pengaruh pendeposisian lapisan tipis nikel-krom (NiCr) dan

aluminium (Al) pada permukaan baja karbon ST 40 terhadap sifat kekerasan.

3. Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu deposisi lapisan NiCr dan pengaruh

pemanasan (heat treatment) pada lapisan tipis nikel-krom (NiCr) dan aluminium (Al)

pada permukaan baja karbon ST 40 terhadap sifat kekerasan.

Manfaat Penelitian

Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat sebagaiberikut:

1. Dapat menambah ilmu pengetahuan tentang perlakuan permukaan, proses pelapisan

dengan teknik sputtering dan penerapannya.

2. Dapat mengetahui hasil dari sifat kekerasan pada proses sputteringNiCr dan Al pada

permukaan baja karbon ST 40 untuk komponen-komponen permesinan yang

dibutuhkan.

3. Sebagai referensi pembelajaran, mengenai perangkat sputtering.

4

2. TINJAUAN PUSTAKA

Penelitian tentang pengerasan permukaan material dengan teknik sputtering

pernah dilakukan oleh Slamet Widodo (2012) yang berjudul “Characterization Of Thin

Film Nickel (Ni) Deposition Sputtering Method”. Dalam tulisan diuraikan bahwa hasil

pengujian dan pengukuran ketebalan pendeposisian lapisan target Tembaga (Cu), Nikel-

Krom (NiCr) menggunakan DC-Sputtering ditunjukkan adanya hubungan kuat antara

ketebalan lapisan dengan waktu pendeposisian dengan sistem sputtering yang bersifat

linier untuk setiap jenis target. Peningkatan nilai daya mulai dari 100 hingga 300 watt

menyebabkan pertambahan nilai kecepatan pendeposisian, sedangkan untuk nilai dari 350

hingga 450 watt peningkatan kecepatan pendeposisiannya mendekati konstan. Dan pada

kondisi daya konstan, penambahan tekanan gas argon (Ar) menurunkan nilai kecepatan

pendeposisiannya. Dengan membandingkan setiap kurva karakteristik pada tekanan dan

daya yang sama. Hubungan perbandingan nilai kecepatan pendeposisian untuk setiap

jenis target adalah Tembaga (Cu) > Nikel-Krom (NiCr).

Wirjoadi, Bambang Siswanto dan Sudjatmoko (2009) yang berjudul “Analisis

Sifat Mikro Lapisan Tipis TiN Pada Substar Al Hasil Plasma Sputtering”. Dalam tulisan

diuraikan bahwa hasil lapisan tipis TiN pada substrat Al dengan teknik dc sputtering.

Pembuatan lapisan tipis TiN pada substrat Al dengan variasi temperatur (150; 200; 250;

dan 300oC) dengan waktu deposisi (0,5;1,0; 1,5; dan 2 jam) serta gas reaktif nitrogen (5;

6; 7;dan 8 sccm). Karakterisasi yang digunakan adalah kekerasan lapisan tipis TiN pada

substrat Al. Hasil pendeposisian TiN pada substrat Al diperoleh sebesar 142,05 KHN,

dengan temperatur 300oC dan waktu pendeposisian selama 2 jam, aliran gas yang

digunakan N2 = 5 sccm dan untuk cuplikan standar 116 KHN dilakukan dengan

mikrohardness tester. Karakterisasi struktur mikro hasil lapisan tipis TiN pada substrat Al

dengan SEMdiperoleh permukaan lapisan yang tidak merata, ketebalan lapisan sekitar

22,05μm dan komposisi unsur kimiadi permukaan dengan EDS diperoleh kandungan Ti =

15,43%; N2 = 5,64%; dan Al = 78,94% atom.

Lifei Lai dkk (2012) dengan judul “Optimization Of Sputtering For NiCr Allay

Deposition On Copper Foil As Embedded Thin Film Resistor”.Dalam tulisan diuraikan

bahwa hasil paduan NiCr (80/20 %) dideposisikan pada substrat tembaga foil dengan

proses magnetron sputtering. Parameter yang digunakan adalah temperatur substrat dan

tekanan gas argon. Hasil kekuatan proses sputtering menjadi faktor yang paling

5

menonjol karena dipengaruhi oleh sifat listrik NiCr, dengan resisvitas tinggi 6,69 x 10-

4Ω.cm dan koefisien temperatur rendah dari 372,78 ppm/K diperoleh kondisi dibawah

optimal.

Chunlin He dkk (2016) dengan judul”Microstructure And Mechanical Properties

Of Reactive Sputtere“.Dalam tulisan diuraikan bahwa hasil Lapisan tipis Ti-Al-Ni-N

yang disusun oleh sputtering, Ti-Al-Ni diargetkan satu demi satu diatmosfer gas N2 pada

suhu 600ºC dan dengan interdifusi antara atom Ti, Al dan Ni selama deposisi lapisan.

Sifat mikro dan mekanik dari lapisan oleh mikroskop elektron, mikroskop atom, difraksi

sinar -X, Xray foto elektron spektroskopi dan nanondenter. Hasil lapisan menunjukkan

bahwa lapisan Ti-Al-Ni-N yang terbentuk karena atom Ti dan atom Al tersubtitusi oleh

atom Ni yang lebih kecil dan Kristal Ni juga terbentuk karena kandungan Ni yang tinggi.

Lapisan Ti-Al-Ni-N memiliki ukuran butir rata-rata sekitar 8 µm, lebih kecil dari lapisan

Ti-Al-N. Hasil nanohardness modulus elastisitas dari lapisan Ti-Al-Ni-N mengalami

penurunan 33,0-12,2 GPa dari 332,0-210,9 GPa.

Shuyong Tan dkk (2015) dengan judul “Effect Of Ni Content On CrNiN Coatings

Prepared By RF Magnetron’’. Dalam tulisan diuraikan bahwa hasil sputtering Pelapis Cr

Ni N dengan Ni yang diendapkan oleh RF reaktif magnetron sputtering dari target

paduan Cr-Ni. Pengaruh Ni pada fase struktuk,nilai orientasi, mikrostruktur dan

kekerasaan diamati. Hasil peneltian menunjukkan bahwa lapisan Cr Ni N terdiri fase

CRN. Pada nilai orientasi dari CRN (220) ke CRN (111), Ni meningkat 2,92-8,79%. Ni

dapat meningkatkan lapisan permukaan tapi tidak dapat memperbaiki butir. Lapisan

kekerasan meningkat dengan menambahkan 2,92% Ni, karena efek Ni menghalangi batas

butir geser, kemudian Ni meningkat menjadi 8,79% kekerasan ini kemudian mengalami

penurunan akibat terlalu banyak logam lunak dan ukuran butir lebih besar.

LANDASAN TEORI

Plasma Lucutan Pijar DC

Plasma lucutan pijar dibangkitkan pada ruang antar elektroda yang berisi udara

bebas pada tekanan atmosfer. Agar terjadi ionisasi berantai,tahapan pertama yang harus

dilalui adalah terjadinya ionisasi yang menghasilkan elektron. Elektron pertama ini

berasal dari ionisasi gas oleh radiasi sinar kosmis. Elektron pertama ini dipercepat oleh

beda potensial antara dua elektroda. Bila tidak ada beda potensial, maka molekul-molekul

6

gas secara elektrik neutral, walau ada beberapa elektron bebas sebagai akibat interaksi

dengan radiasi sinar kosmis. Dalam laboratorium lucutan elektrik dapat dilakukan dalam

tabung berisi gas. Apabila dua buah elektroda yang berupa plat sejajar diletakkan di

dalam tabung dengan tekanan tertentu dan kedua elektroda dihubungkan dengan sumber

tegangan DC, maka akan terjadi lucutan listrik diantara kedua elektroda. Elektron dari

katoda akan bergerak menuju anoda dan selama dalam perjalanan elektron-elektron

tersebut akan menumbuk atom-atom atau molekul-molekul gas diantara kedua elektroda.

Hal ini mengakibatkan transfer seluruh atau sebagian dari energi penumbuk ke partikel

gas, sehingga partikel tersebut akan tereksitasi. Pada proses inilah terjadi ionisasi gas dan

terjadi secara terus menerus yang menghasilkan reaksi ionisasi berantai dan banyak

menghasilkan ion-ion. Ion-ion ini akan ditarik ke katoda karena adanya medan listrik dan

pada akhirnya akan menumbuk katoda. Proses ini selalu disertai dengan keluarnya

lucutan pijar, sehingga plasma yang dihasilkan disebut plasma lucutan pijar (Sujitno

Tjipto, 2014).

(Sumber : Sujitno Tjipto, 2014)

Gambar. 1.Tabung Lucutan Pijar DC

Konsep Dasar Sputtering

Sputtering adalah proses terlemparnya materi dari suatu permukaan zat padat atau

zat cair akibat ditumbuk oleh partikel berenergi tinggi hingga terjadi pertukaran

momentum. Target yang berupa bahan pelapis diletakkan searah dengan substrat dalam

suatu ruang vakum dengan tekanan awal sebesar 5x10-3

sampai 5x10-7

Torr. Jenis partikel

yang ditembakkan berasal dari ion gas yang tidak mudah bereaksi zat lain atau gas inert.

Materi yang terlempar berupa atom dari suatu logam atau campuran logam akan

menempel pada permukaan substrat (Mc Guire, 1980).

7

Prinsip dasar sputtering adalah bila ion-ion ditembakkan dengan energi tinggi

terhadap suatu permukaan zat padat maka akan terjadi banyak fenomena. Energi kinetik

partikel penembak sangat menentukan kejadian yang timbul pada energi yang sedikit

melebihi energi ikat atom-atom secara fisik akan hanya merusak permukaan target. Untuk

energi yang sangat tinggi yaitu sekitar 4 kali energi target, maka partikel akan tertanam

didalam target, dan fenomena ini merupakan dasar implantasi ion (Maissel, 1970).

Mekanisme Sputtering

Proses sputtering diawali dengan proses ionisasi gas-gas sputter seperti misalnya

Argon (Ar), Xenon (Xe), Kripton (Kr), Neon (Ne) maupun Helium (He) pada tekanan

parsial didalam tabung reaktor plasma dalam orde 10-3

torr. Karena pengaruh medan

listrik diantara elektroda (2-5 kV) maka ion-ion gas sputter akan bergerak dengan energi

yang cukup menuju katoda/target. Bila energi kinetik ion gas-gas sputter cukup tinggi

untuk mengatasi energi ikat atom atom target, maka akibat transfer momentum, atom-

atom target akan terlempar keluar dari induknya. Atom-atom tersputter tersebut sebagian

akan bergerak menuju permukaan substrat. Prinsip inilah yang mendasari dari

pemanfaatan plasma sputtering untuk pendeposisian lapisan tipis pada permukaan bahan

dengan tujuan tertentu. Energi untuk proses ionisasi gas-gas sputter dapat diperoleh

dengan tegangan DC ataupun RF. Hanya kalau menggunakan tegangan DC tidak dapat

diterapkan untuk target yang bersifat nonkonduktif misalnya isolator dan ini hanya dapat

dilakukan dengan RF. Secara garis besar proses deposisi lapisan tipis menggunakan

teknik sputtering adalah sebagai berikut(Sujitno Tjipto, 2014):

Proses produksi ion dan mengarahkannya ketarget.

Terlepasnya atom-atom permukaan target akibat dibombardir oleh ion ion energi

tinggi.

Akibat transfer momentum atom-atom target tersebut menuju permukaan target.

Kondensasi atom-atom target dan membentuk lapisan tipis pada pada permukaan.

3. METODE PENELITIAN

Metode penelitian yang dilakukan adalah metode eksperimen. Peneltian preparasi

pada baja karbon ST 40 untuk substrat logam induk yang terdiri dari pemotongan

(cutting), pengamplasan (grinding), pemolesan (polishing), kemudian dilakukan proses

pelapisan sputtering, dan pengambilan data dari hasil pengujian. Pengambilan data hasil

8

pengujian dilakukan pada substrat logam induk,substrat lapisan sputtering, substrat

lapisan sputtering dengan perlakukan pemanasan yang meliputi uji SEM/EDX, uji foto

mikro permukaan, dan uji kekerasan. Diagram alir penelitian yang dilakukan mengikuti

diagram alir berikut ;

Gambar 2. Skema Diagram Alir Penelitian.

Studi literature daneksperimen

Persiapan alat dan Bahan

Pembutan substrat awal:

1. Dipotong

2. Diamplas 3. Dipoles

4. Dicuci

Pendeposisian target Ni-Cr dengan

parameter waktu variasi deposisi

60; 120; 180dan 240 Menit

Perlakuanpanas(heat

treathment) dengan suhu

750oC selama 30 menit

dengan mesin furnace

Analisa data pembanding

SELESAI

Pendeposisian target Al dengan

parameter waktudeposisi 30 menit

MULAI

Logam baja karbon

ST 40

Alat Sputtering

Tanpa perlakuan

panas

Bahan target/pelapis

Ni-Cr dan alumunium

Foto mikro dan uji kekerasan

(Vickers)

Uji SEM/EDX

9

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Foto Mikro Permukaan

Pengujian foto struktur mikro pada penelitian yang dilakukan bertujuan untuk

melihat perbedaan struktur permukaan substrat logam induk, permukaan substrat lapisan

NiCr dan Al pada baja karbon ST 40, dan permukaan substrat lapisan sputtering setelah

dilakunkan proses perlakuan panas.Foto mikro permukaan dilihat dari mikroskop logam

pada alat uji kekerasaan dengan perbesaraan 40x. Ini berikut adalah hasil dari pengujian

foto struktur mikro:

Gambar 3.Foto Mikro Permukaan Logam Induk Baja Karbon ST 40

Gambar 4.Foto Mikro Permukaan Lapisan NiCr Pada Baja Karbon dengan Waktu

Pendeposisian Selama 60 Menit

a) b)

40 µm

40 µm

40 µm 40 µm

10

c) d)

Gambar 5.Foto Mikro Permukaan Lapisan NiCr dan Al Pada Baja Karbon ST 40 a) NiCr

(60 menit) Al (30 menit), b) NiCr (120 menit) Al (30 menit), c) NiCr (180

menit) Al (30 menit), c) NiCr (240 menit) Al (30 menit).

a) b)

c) d)

Gambar 6.Foto Mikro Permukaan Lapisan NiCr dan Al Pada Baja Karbon ST 40

Setelah Perlakuan Pemanasan Dengan Suhu 750 C a) NiCr (60 menit) Al

(30 menit), b) NiCr (120 menit) Al (30 menit), c) NiCr (180 menit) Al (30

menit), c) NiCr (240 menit) Al (30 menit).

Pada Gambar 3, 4, 5, dan 6 menunjukkan adanya perbedaan dari foto mikro

permukaan. Dari hasil foto permukaan yang dihasilkan dapat dilihat bahwa semakin lama

waktu pendeposisian maka akan terlihat kesan warna yang akan semakin gelap dan

setelah perlakuan pemanasan juga menambah kesan warna yang semakin gelap.

Hasil Pengujian SEM/EDX

Pengujian SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDS (Energy Dispersive X-

Ray) bertujuan untuk melihat penggambaran struktur lapisan dan untuk mengetahui

komposisi unsur dari lapisan. Pada pengambilan foto SEM/EDS ini dilakukan substrat

40 µm 40 µm

40 µm 40 µm

40 µm 40 µm

11

lapisan NiCr dan Al pada baja karbon ST 40 dengan waktu pendeposisian NiCr selama

120 menit, Al selama 30 menit dan perlakuan panas pada suhu 750˚Cdengan pembesaran

3000x, 5000x dan 10000x. Berikut adalah hasil dari pengujian foto SEM:

Gambar 7.Foto SEM Pembesaran 3000x Gambar 8.Foto SEM Pembesaran 5000x

a b c

Keterangan :

a = resin

b = lapisan NiCr, Al

c = ST 40

Gambar 9. Foto SEM Dengan Pembesaran 10000x

Pada Gambar 7, 8 dan 9 diatas menunjukkan substrat lapisan NiCr dan Al pada

baja karbon. Pada bagian yang menunjukan kesan paling terang untuk sementara

12

diasumsikan sebagai lapisan NiCr dan Al, untuk agak gelap diamsusikan sebagai substrat

baja karbon dan untuk yang berwarna gelap diasumsikan sebagai mounting/resin.

Gambar 10.Foto SEM/EDX Dengan Pembesaran 3000x

Pada pengujian EDX yang dilakukan menghasilkan EDX pure dan oxide. Berikut

merupakan hasil dari pengujian EDX (Energy Dispersive X-Ray):

Gambar 11. Grafik Hasil Pengujian EDX-Pure

001001

10 µm10 µm10 µm10 µm10 µm

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

keV

001

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Counts

AlK

a

CrL

lC

rLa

CrK

esc

CrK

a

CrK

b

NiL

lN

iLa

NiK

esc

NiK

a

NiK

b

13

Tabel 1. Hasil EDX-Pure

Element (keV) Mass% Sigma Mol%l Compound Mass% Cation K

Al K 1.486 82.17 1.11 90.02 81.4579

Cr K 5.411 15.36 0.79 8.74

15.9508

Ni K 7.471 2.46 0.44 1.24 2.5913

Total 100 100

Gambar 12. Grafik Hasil Pengujian EDX-Oxide

Tabel 2. Hasil EDX-Oxide

Element (keV) Mass% Sigma Moll% Compound Mass% Cation K

O 45.01

Al K 1.486 46.41 1.19 90.4 Al2O3 87.68 14.67 81.4579

Cr K 5.411 7.39 0.56 7.47 Cr2O3 10.8 1.21 15.9508

Ni K 7.471 1.19 0.27 2.14 NiO 1.52 0.17 2.5913

Total 100 100 100

Untuk pengujian EDX (Energy Dispersive X-Ray), pada Gambar 10. titik

berwarna biru menunjukkan bagian yang diuji EDX. Pada Tabel 1. EDX-

Pureberdasarkan komposisi unsur hasil perhitungan EDX pada Gambar 11. unsur

dominan adalah Al 82.17% dan Ni 2.46% adalah unsur yang paling rendah. Sedangkan

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

keV

001

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Counts

AlK

a

CrL

lC

rLa

CrK

esc

CrK

a

CrK

b

NiL

lN

iLa

NiK

esc

NiK

a

NiK

b

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

keV

001

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Co

unts

AlK

a

CrL

lC

rLa

CrK

esc

CrK

a

CrK

b

NiL

lN

iLa

NiK

esc

NiK

a

NiK

b

14

pada Tabel 2. EDX-Oxide berdasarkan hasil perhitungan EDX pada Gambar 12. unsur

yang paling dominan adalah 46.41% dan Ni 1.19% adalah unsur yang paling rendah.

Yang menjadi pembeda antara EDX-Pure dan EDX-Oxide adalah pada EDX-Oxide

terdapat unsur O, pada Tabel 2. EDX-Oxide unsur O sebesar 45.01%. Dan Karena

adanya unsur O maka terjadi oksidasi pada unsur Al, Cr, dan Ni, sehingga terjadi unsur

compound yang terbentuk yaitu unsur Al menjadi Al2O3, unsur Cr menjadi Cr2O3 dan

unsur Ni menjadi unsur NiO.

Hasil Pengujian Kekerasan Vickers

Pengujian kekerasan ini dilakukan pada permukaan substrat logam induk,

permukaan lapisan sputtering NiCr/Al, dan substrat lapisan sputtering NiCr/Al dengan

proses pemanasan pada suhu 750 ºC. Pengujian kekerasan dilakukan dengan

menggunakan penumbuk (identor) piramida dyamond yang berbentuk bujur sangkar

dengan menggunakan beban 10 kgf dan waktu pembebanan 5 detik dan dikali 1.2 sebagai

faktor koreksi. Dari hasil pengujian kekerasan yang dilakukan, diperoleh hasil yang dapat

dilihat pada tabel - tabel dibawah ini::

Tabel 3. Hasil Kekerasan Logam Induk

No Substrat d1 d2 VHN Hasik kekerasan dikali

1.2 (HVN)

1 Baja karbon

ST 40 12.99 13.05 143.3 171.96

Tabel 4. Hasil Kekerasan Target NiCr

No Target d1 d2 VHN Hasil kekerasan dikali

1.2 (HVN)

1 NiCr 20.02 19.08 94.8 113.76

Tabel 5. Hasil Kekerasan Target Aluminium

No Target d1 d2 VHN Hasil kekerasan dikali

1.2 (HVN)

1 Aluminium 28.03 26.28 25 30

15

Tabel 6. Hasil Kekerasan Lapisan NiCr Selama 60 Menit

No d1 d2 VHN rata-rata

VHN

Hasil kekerasan

dikali 1.2 (HVN)

1 11.500 11.360 156.200

159.380 191.256

2 11.600 10.980 164.200

3 11.630 11.070 156.400

4 12.020 11.100 160.300

5 11.570 11.630 159.800

Tabel 7. Hasil Kekerasan Lapisan NiCr Selama 60 Menit Dan Aluminium Selama

30 Menit


VHN

Hasil kekerasan

dikali 1.2 (HVN)

1 8.480 9.230 236.400

233.260 279.912

2 8.630 9.120 234.900

3 8.530 9.130 237.800

4 8.930 9.100 228.100

5 8.640 7.540 229.100

Tabel 8. Hasil Kekerasan Lapisan NiCr Selama 120 Menit Dan Aluminium

Selama 30 Menit


VHN

Hasil kekerasan

dikali 1.2 (HVN)

1 9.230 9.390 213.900

210.880 253.056

2 8.800 9.100 208.300

3 8.620 9.020 210.100

4 8.930 8.840 208.400

5 9.370 9.260 213.700

16


Selama 30 Menit


VHN

Hasil kekerasan

dikali 1.2 (HVN)

1 9.380 10.030 196.800

192.720 231.264

2 9.600 10.200 189.200

3 9.930 9.650 193.400

4 9.560 9.720 192.300

5 9.010 10.310 191.900


Selama 30 Menit


VHN

Hasil kekerasan

dikali 1.2 (HVN)

1 10.110 10.380 177.100

178.240 213.888

2 10.100 10.540 174.100

3 10.090 10.370 181.200

4 10.490 10.090 175.100

5 10.130 10.050 183.700


Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit

No d1 d2 VHN

rata-rata Hasil kekerasan

VHN dikali 1.2 (HVN)

1 9.500 9.330 209.200

2 8.990 9.290 221.900

3 9.090 9.340 218.300 219.140 262.968

4 8.740 9.260 228.900

5 9.020 9.450 217.400

17


Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit

No d1 d2 VHN



1 8.970 9.220 224.100

2 8.580 8.900 243.700

3 8.750 8.930 237.300 231.920 278.304

4 9.050 8.900 230.400

5 9.020 9.180 224.100


Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit

No d1 d2 VHN



1 9.790 10.120 187.100

2 9.840 9.570 196.800

3 9.520 9.520 204.600 192.840 231.408

4 10.240 9.700 186.500

5 10.170 9.630 189.200


Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit

No d1 d2 VHN



1 9.560 9.500 204.100

2 10.160 9.870 184.800

3 10.370 9.890 178.900 182.740 219.288

4 10.760 10.160 169.400

5 10.420 10.080 176.500

18

Analisa Data Hasil Kekerasan

Gambar 13. Grafik Kekerasan Rata-Rata Substrat Logam Induk, Lapisan NiCr, Lapisan

NiCr Dan Al Dan Hasil Pemanasan

Dari data pengujian kekerasan rata-rata padadiambil dari data rata-rata kekerasan

permukaan substrat logam induk, substrat lapisan sputteringNiCr dengan waktu deposisi

60 menit, substrat lapisan NiCr dengan waktu deposisi 60 menit dan Al dengan waktu

deposisi 30 menit, serta substrat lapisan NiCr dengan waktu deposisi 60 menit dan Al

dengan waktu deposisi 30 menit dengan pemanasan suhu 750ºC selama 30 menit, yang

ditunjukkan dalam bentuk grafik pada Gambar 13. diatas yang menunjukkan

peningkatan kekerasan yang signfikan dari substrat logam induk hingga subtsrat lapisan

NiCr dan Al dengan perlakuan pemanasan. Dari kekerasan substrat lapisan NiCr naik

11.221%, dari substrat logam induk dengan kekerasan rata-rata 171.960 HVN menjadi

191.256 HVN dari subtrsrat lapisan NiCr. Dari Substrat NiCr, kekerasan substrat NiCr

dan Al naik 46.356% dengan kekerasan rata-rata 191.256 HVN menjadi 279.912 dari

substrat lapisan NiCr dan Al. Serta dari substrat lapisan NiCr dan Al, kekerasan substrat

NiCr dan Al setelah perlakuan panas turun 16.053% dengan kekerasan rata-rata 279.912

HVN menjadi 318.504 HVN.

Dari data kekerasan rata-rata tersebut menandakan nilai kekerasan lapisan substrat

logam induk hingga subtsrat lapisan NiCr dan Al setelah perlakuan pemanasan

mengalami kenaikan prosentase secara terus menerus.

171.96191.256

279.912262.968

0

50

100

150

200

250

300

Logam Induk Sputtering NiCr Sputtering NiCr-Al Pemanasan

Ke

kera

san

(HV

N)

19

Gambar 14. Grafik Kekerasan Rata-Rata Lapisan sputtering Sebelum dan Setelah

Pemanasan

Data kekerasan rata-rata substrat dengan lapisan sputtering dengan waktu

pendeposisian NiCr 60; 120; 180; 240 menit dan Al 30 menit dan substrat lapisan

sputteringdengan waktu deposisi NiCr 60; 120; 180; 240 menit dan Al 30 menitsetelah

perlakuan pemanasan dengan suhu 750ºC selama 30 menit menunjukkan dalam bentuk

grafik pada Gambar 14. diatas yang menunjukkan nilai kekerasan tertinggi didapatkan

dari hasil uji kekerasan dengan lapisan NiCr 60 menit, Al 30 menit tanpa pemanasan

dengan nilai kekerasan sebesar 279.912 HVN, kemudian kekerasan mengalami

penurunan yang signifikan ketika waktu deposisi semakin lama. Pada waktu deposisi

NiCr 120 menit dan Al 30 menit dengan nilai kekerasan 253.056 HVN nilai kekerasan

turun 10.612% dari nilai kekerasan dengan waktu deposisi NiCr 60 menit dan Al 30

menit dengan nilai kekerasan 279.912 HVN. Nilai kekerasan waktu deposisi NiCr 180

menit dan Al 30 menit dengan nilai kekerasan 231.264 HVN juga mengalami penurunan

jika dibandingkan dengan lapisan NiCr 120 menit dan Al 30 menit yang sebsar 253.056

HVN penurunan dengan presentasi penurunan 9.422%. kemudian pada lapisan NiCr 240

menit dan Al 30 menit dengan nilai kekerasan 213.888 HVN juga mengalami penurunan

sebesar 8.123% jika dibandingkan dengan nilai kekerasan NiCr 60 menit dan Al 30 menit

yang sebesar 231.264 HVN.

279.912

253.056

231.264213.888

262.968

278.304

231.408219.288

0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

60 120 180 240

Kekeeasan

(H

VN

)

Waktu Deposisi (Menit)

Sputtering

Pemanasan

20

Dari data nilai kekerasan lapisan NiCr dan Al setelah dilakukan pemanasan nilai

tertinggi didapata pada substrat lapisan NiCr 120 menit dan Al 30 menit. Nilai kekerasan

NiCr 60 menit dan Al 30 menit setelah pemanasan memiliki nilai kekerasan sebesar

262.968 HVN, nilai kekerasan tersebut turun 5.831% jika dibandingkan dengan nilai

kekerasan lapisan NiCr 60 menit dan Al 30 menit setelah pemanasan yang sebesar

278.304 HVN. Pada data nilai kekerasan lapisan NiCr 180 menit dan Al 30 setelah

pemanasan memiliki nilai kekerasan sebesar 231.408, nilai kekerasan tersebut turun

20.236% jika dibandingkan dengan nilai kekerasan lapisan NiCr 60 menit dan Al 30

menit setelah pemanasan yang sebesar 278.304 HVN. Dan nilai kekerasan NiCr 240

menit dan Al 30 menit setalah pemanasan memiliki nilai kekerasan 219.288 HVN juga

mengalami penurunan sebesar 5.526% jika dibandingkan dengan nilai kekerasan NiCr

180 menit dan Al 30 menit setelah pemanasan.

5. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pembahasan dan analisis tentang pendeposisian lapisan tipis

NiCr dan Al pada substrat baja karbon ST 40, maka dapat diambil beberapa kesimpulan

sebagai berikut:

1. Pembuatan lapisan tipis NiCr dan Al pada substrat baja karbon ST 40 dengan metode

sputtering berhasil dilakukan, dengan pengujian SEM/EDX memperlihatkan adanya

unsur nikel-krom, dan alumunium,pada lapisan ST 40 yaitu komposisi EDX-Pure

didapatkan 82,17% unsur aluminum, 15,36% unsur krom, 2,46% unsur nikel dan

hasil EDX-Oxide didapatkan 87,68% unsur Al2O3, 10,8% unsur Cr2O3, 1,52% unsur

NiO.

2. Dengan adanya pelapisan NiCr dan Al pada ST 40 akan meningkatkan kekerasannya,

kekerasan ST 40 sebesar 171,96 VHN, kekerasan dengan pelapisan NiCr sebesar

191,256 VHN, untuk lapisan NiCr dan Al sebesarnya 279,912 VHN.

3. Semakin lama waktu pendeposisin NiCr kekerasanya akan menurun, tanpa

pemanasan, untuk 60 menit sebesar 279,912 VHN, 120 menit sebesar 253,056 VHN,

180 menit sebesar 231,264 VHN, 240 menit sebesar 213,888 VHN, sedangkan

dengan pemanasan untuk 60 menit sebesar 262,968 VHN, 120 menit sebesar

278,304 VHN, 180 menit sebesar 231,408 VHN, 240 menit sebesar 219,288 VHN.

21

DAFTAR PUSTAKA

A. S. Korhonen, E. Harju. 2000. Surface Engineering with Light Alloys - Hard Coatings,

Thin Films, and Plasma Nitriding. Journal of Materials Engineering and

Performance, 302 – Volume 9(3).

ASTM Internastional., 2002. “ASTM E384 11E1., Standard Test. “Method for Knoop and

Vickers Hardness of Materials”. America Societ fot Testing Material :

Philadelpia.

Bangun Pribadi, Suprapto, Dwi Priyantoro., 2008., Pengerasan Permukaan Baja ST 40

Dengan Metode Carburizing Plasma Lucutan Pijar. BATAN. Yogyakarta

Aji Suntoro Wahyu., 2016. Pelapisan Ni Pada Bahan Aluminium Dengan Metode

Elektroplating. Universitas Muhammadiyah Surakarta. Surakarta.

Bagus P Amarendra, Alfudi Rahman Saptian, Cahys D Vincencius., 2014. Proses Difusi

Zat Padat. Institut Teknologi Sepuluh November. Surabaya.

D. Mao, K. Tao, J. Hopwood. 2002 Ionized Physical Vapor Deposition of Titanium

Nitride : Plasma and Film Characterization. J. Vac. Sci. Technol. A 20(2),

Endramawan Tito., Dkk., 2012. Pengaruh Variasi Waktu Pelapisan WN Menggunakan

Reaktive Megnetron Sputtering Terhadap Sifat Mekanis Dan Laju Korosi Pada

Baja AISI 410. BATAN. Yogyakarta.

Fridawati, Mika., 2008. Analisa Struktur Kristal Dari Lapisan Tipis Aluminium (Al)

Dengan Metode Difraksi Sinar –X. Fakultas Sains dan Teknologi. Universitas

Sanata Dharma. Yogyakarta.

He Chunlin., XieLeipeng., Dkk., Microstructure2016.“And MechanicalProperties Of

Reactive Sputtered Nanocrystalline Ti-Al-Ni-N Thin Films.Research Institute of

Functional Materials, Central Iron &Steel Research Institute, Beijing 100081,

China.

Hermawan Yudi., 2016. Pelapisan Aluminium Pada Baja Fe-No

DenganTeknikEvaporasi. Universitas Muhammadiyah Surakarta.Surakarta.

I Made Widiyarta., I Made Parwata., I Putu Lokantara., dan Davin Perangin-Angin.2016.

Karakteristik Lapisan Ni-Cr pada Baja Karbon Sedang Dengan Metode

Pelapisan Flame Spray Coating Dengan Variasi Jarak Semprotan.Universitas

Udayana. Bali

Jikan, S.S, AbdullahS.S, Ismail M.H, Ismail N.A and Badarulzaman N.A 2013.

22

Multilayer of Ni/Cu Coating Produced Via Elektroplating.

L. Tan, R.A. Dodd, W.C. Crone. 2003. Corrosion and Wear-Corosion Behavior of Ni Ti

Modified by Plasma Source Ion Implantation, Biomaterials 24 3931- 3939.

Lai Lifei,. Zeng Wenjin. Dkk., 2013. Optimization Of Sputtering ParametersFor Ni–Cr

Alloy Deposition On Copper Foil As Embedded Thin Film Resistor. China.

Nathaporn Promos, 2003. Titanium Nitride Film Prepared by DC Reactive Magnetron

Sputtering. Department of Physics, Chulalongkorn University, Bangkok. 10330,

Thailand.

Rasyad Abdul dan Budiarto., (2011). Pengaruh Waktu Elektroplating Dan Powder

Coating Ni-Cr Terhadap SIfat Mekanis Dan Struktur MikroPada Baja Karbon

SPCC-SD. BATAN, Yogyakarta.

Siswanto, W.B., Sudjtamoko., 2009. Analisis Sifat Mikro Lapisan TiN Pada Substrat Al

Hasil Plasma Sputtering. BATAN, Yogyakarta.

Sudjatmoko., Dkk., Kontruksi Sistem Vacum Untuk SpectrometerMassa. PTAPB-

BATAN. Yogyakarta.

Sujitno, T., 2014. Teori Sputtering, PTAPB-BATAN, Yogyakarta.

Sujitno,T., 2014. Aplikasi Plasma Sputtering, PTAPB-BATAN, Yogyakarta.

Suprapto, Lely Susita RM, Sukidi. 2007. Pengerasan Permukaan Pena Piston Dengan

Teknik Nitridasi Plasma. BATAN. Yogyakarta.

Tan Shuyong., Dkk., 2015. Effect of Ni content on CrNiN coatingsprepared by RF

magnetron. China.

Widodo, S., 2012. Characterization of Thin Film Nickel (Ni) Deposition BySputtering

Method. PPET-LIPI (2012) 82-88.

Yusuf Umardhani., 2011., Pengerasan Permukaan Baja ST 40 Dengan Metode Nitridasi

Dalam Larutan Garam., Universitas Diponegoro., Semarang

Zhang Zengguang., Dkk., 2016. Properties Of Al-doped Zinc Oxide Thin Films. China.

analisis struktur mikro dan sifat mekanik lapisan …eprints.ums.ac.id/59343/1/naskah...

Documents